Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям
Работа выполнена в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт пищевой биотехнологии Российской академии сельскохозяйственных наук
(ГНУ ВНИИПБТ Россельхозакадемии)
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, академик Россельхозакадемии Поляков Виктор Антонович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Крикунова Людмила Николаевна кандидат технических наук, профессор Жирова Вера Владимировна
Ведущая организация: ГНУ ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии
Защита состоится 29 мая 2012 года в 11 часов на заседании Объединенного диссертационного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 006.025.01 по специальности 05.18.07 при ГНУ Всероссийский научноисследовательский институт пивоваренной, безалкогольной и винодельческой промышленности (ГНУ ВНИИПБиВП Россельхозакадемии) по адресу: 119021, Москва, ул. Россолимо, д. 7.
Автореферат диссертации размещен на сайте:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИПБиВП Россельхозакадемии Автореферат разослан 28 апреля 2012 года
Ученый секретарь диссертационного совета, д-р.техн.наук, профессор А.Л. Панасюк 1.
Общая характеристика работы
Актуальность темы Повышение концентрации перерабатываемых крахмалсодержащих сред в пищевой биотехнологии является перспективным направлением интенсификации и экологизации отраслевых технологий. Это позволяет увеличить производственную мощность основных технологических участков, эффективность использования емкостного оборудования и производственных площадей, снизить энерго- и водопотребление, потери сырья.
Для спиртовой промышленности исследованиями отечественных и зарубежных ученых показана возможность создания осмофильных рас дрожжей, обеспечивающих сбраживание сред с концентрацией до 35% растворимых сухих веществ (РСВ). При этом традиционные способы водно-тепловой обработки зернового сырья предполагают получение сусла концентрацией 16-18%РСВ, а за счет технологических инноваций до 25%РСВ. Обладая общими недостатками- многооперационностью и длительностью производственных процессов, необходимостью эксплуатации большого количества емкостного и транспортирующего оборудования, сложными реологическими условиями получения сусла, способы водно-тепловой обработки (разваривание под давлением, механико-ферментативная обработка) ограничены в увеличении концентрации перерабатываемых сред.
Решением поставленной проблемы может стать использование перспективного технологического принципа - совмещение в одной реакторной системе процессов физической и биохимической трансформации биополимеров перерабатываемого зернового сырья - его термомеханической экструзии и ферментативного гидролиза.
Это обеспечит переход от многооперационных технологий водно-тепловой обработки к одностадийному способу получения высококонцентрированного зернового сусла, минуя стадии производства полупродуктов и систему их транспортирования.
Интеграция основных процессов переработки зернового сырья в технологии спирта позволит снизить продолжительность основного производственного цикла и его суммарную энергоемкость, сократить потери сырья за счет исключения промежуточных и транспортирующих стадий. Научной основой данного подхода к переработке зернового сырья в технологии спирта являются работы В.И. Степанова, В.В. Иванова, В.А. Полякова, Л.В. Римаревой и др.
Разработка интегрированной технологии термомеханической экструзии и ферментативного гидролиза крахмалосодержащего сырья помимо решения прикладной для спиртовой промышленности проблемы может стать научным заделом для других отраслей пищевой биотехнологии, например в микробиологическом производстве для получения питательных сред культивирования микроорганизмов, в крахмалопаточном производстве при получении крахмальной патоки различного углеводного состава.
Возможности и преимущества представленных решений по переработке зернового сырья с использованием экструзионно-гидролитической технологии перспективны также для разработки технологий производства жидких функциональных кормов и кормовых добавок, в том числе с использованием вторичных сырьевых ресурсов, для нужд крупных животноводческих комплексов.
Цель и задачи исследования Целью настоящей работы являлась разработка инновационной технологии получения высококонцентрированных сбраживаемых гидролизатов спиртового производства на основе интеграции процессов термомеханической экструзии зернового сырья и его биокатализа в одной реакторной системе.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:
- изучить характер влияния основных технологических параметров термомеханической экструзии зернового сырья на формирование функциональных свойств экструдатов, определяющих степень их подготовленности к биотехнологической конверсии;
- провести реологические исследования высококонцентрированных гидролизатов экструдированного зернового сырья и установить зависимость динамической вязкости от концентрации растворимых сухих веществ (РСВ) и дозировки гидролитических ферментов;
- предложить оптимальный способ интеграции процессов экструзии и ферментативного гидролиза в одной реакторной системе;
- разработать аппаратурно-технологическую схему получения сбраживаемого высококонцентрированного сусла в производстве спирта на основе принципов совмещения экструзионных и биотехнологических процессов.
Научная новизна исследований Впервые изучено влияние режимных параметров экструзии зернового сырья на изменение функциональных свойств экструдатов и биохимические показатели спиртового брожения при конверсии углеводов высококонцентрированного зернового сусла. Установлена корреляционная зависимость между степенью термомеханической деструкции в процессе экструзии и выходом редуцирующих углеводов на стадии осахаривания, образованием спирта и побочных метаболитов спиртового брожения.
Проведены реологические исследования гидролизатов экструдированного сырья с концентрацией до 39% РСВ. Установлена зависимость влияния гидролаз с различной субстратной специфичностью на динамическую вязкость гидролизатов экструдированного сырья. Получена регрессионная математическая модель влияния концентрации РСВ, дозировок гидролитических ферментов на значение динамической вязкости гидролизатов.
Разработан оптимальный способ интеграции термомеханических и биокаталитических процессов в одной реакторной системе для получения зерновых высококонцентрированных гидролизатов.
Новизна технических решений подтверждена патентом РФ на изобретение №2382082 Способ получения гидролизата из крахмалсодержащего сырья, приоритет от 21.01.2009.
Практическая значимость Разработана интенсивная технология получения высококонцентрированных гидролизатов зернового сырья, основанная на объединении процессов термомеханической деструкции и ферментативного гидролиза в одной реакторной системе, которая позволяет:
Цполучать гидролизаты зернового сырья с концентрацией растворимых сухих веществ до 35%;
Цосуществить переход от многостадийных процессов водно-тепловой обработки к одностадийному, исключающему систему транспортирования полупродуктов от одного аппарата к другому;
Цповысить производственную мощность и эффективность использования емкостного оборудования бродильного и ректификационного отделений спиртовых заводов;
Цснизить производственные энергозатраты, в том числе на ректификацию и переработку барды за счет повышения концентрации сбраживаемых сред до 30% РСВ.
Инновационная экструзионно-гидролитическая технология обеспечивает улучшение биохимических показателей спиртового брожения по сравнению с используемыми промышленностью способами водно-тепловой обработки зернового сырья.
Экономическая эффективность замены линии водно-тепловой обработки на разработанную экструзионно-гидролитическую составит 19,6 млн. рублей в год для завода с установленной производственной мощностью по варочному отделению 10дал/сутки.
Апробация работы Основные результаты работы были представлены на VI-ой международной научно-практической конференции Перспективные направления научнотехнического развития спиртовой и ликероводочной отрасли пищевой промышленности (М., 2007), международной научно-практической конференции Биотехнология, вода и пищевые продукты (М., 2008), IV международном симпозиуме Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологиях (М., 2008), конференции-конкурсе научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии (М., 2008), V Московском международном конгрессе Биотехнология: состояние и перспективы развития, вода и пищевые продукты (М., 2009), XVII Международной конференции по крахмалу Москва - Краков (М., 2009).
Результаты работы отмечены золотой медалью 10-й Юбилейной Российской агропромышленной выставки Золотая Осень (М., 2008), дипломом 7-й Международной специализированной выставки Мир Биотехнологии 2009 (М., 2009).
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 3 в рецензируемых журналах и 1 патент РФ на изобретение.
Cтруктура и объем работы Диссертация состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 153 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и таблиц. Библиография включает 161 наименование, из них 80 иностранных источников.
2. Экспериментальная часть 2.1 Обзор литературы В литературном обзоре представлено развитие технологии и техники переработки зернового сырья и получения сбраживаемых гидролизатов спиртвого производства. Рассмотрено развитие технологии сбраживания гидролизатов зернового сырья с высокой концентрацией сбраживаемых углеводов до 36,5%. Изучено влияния экструзионных процессов на изменения свойств зернового сырья и его биополимеров.
Рассмотрены перспективы применения экструзии в биотехнологических процессах перерабатывающих отраслей АПК.
2.2 Объекты, материалы и методы исследований Объектами исследований являлись: экструдаты пшеницы, образцы гидролизатов зернового сырья, зрелая бражка и бражные дистилляты, процессы термомеханической деструкции и биокатализа зернового сырья, пилотная установка интегрированной термомеханической и биохимической переработки зернового сырья.
Переработку зернового сырья и получение опытных образцов гидролизатов осуществляли на пилотной установке, разработанной на базе многофункциональого экструдера Werner&Pfleiderer Continua 37, объединенного через специальный гидродинамический узел с трубчатым реактором вытеснения в одну реакторную систему.
Экспериментальная работа была построена на основе анализа процессов экструзии и ферментативного биокатализа раздельно с целью их последующего синтеза в условиях близких к оптимальным для каждого из них.
В качестве гидролитических ферментов использовались мезофильная и термостабильная -амилазы, нейтральная протеаза, гемицеллюлолитический ферментный комплекс. Для сбраживания использовали биомассу культуры дрожжей Saccharomyces cerevesiae (расы XII и 1039).
Физико-химические показатели зерна, гидролизатов и бражки определяли в соответствие Инструкции по технохимическому и микробиологическому контролю спиртового производства (М. 2007). Определение побочных метаболитов спиртового брожения экспериментальных образцов сусла осуществляли согласно ГОСТ Р 534192009 Спирт этиловый-сырец из пищевого сырья. Газохроматографический метод определения содержания летучих органических примесей.
Реологические свойства жидких крахмалсодержащих сред оценивались путем измерения динамической вязкости методом вибрационной вискозиметрии с использованием вибровискозиметра SV-10 и программного обеспечения RsVisco Ver.1.11 при различных температурно-временных режимах.
Математическое описание изменения функциональных свойств экструдатов и реологических свойств гидролизатов зернового сырья осуществляли методами ортогонального и рототабельного композиционного планирования многофакторных эксперментов.
Экспериментальные данные обрабатывали с использованием программ Excel, OpenOffice Calc, Scilab 5.1.
2.3 Результаты исследований и их обсуждение.
2.3.1 Влияние режимов экструзионной обработки зернового сырья на эффективность биотехнологических процессов Экструзия обеспечивает глубокую деструкцию биополимеров зерна, значительно повышая их биодоступность к действию гидролитических ферментов. Ключевую роль в формировании функциональных свойств зерновых экструдатов, определяющих степень их биотехнологической конверсии, играют режимы термомеханического процесса экструзии.
Влияние режимных параметров экструзии на степень переработки пшеницы - субстрата для последующих процессов осахаривания и сбраживания исследовали методом ортогонального композиционного планирования. В качестве управляющих факторов математической модели были выбраны суммарное влагосодержание перерабатываемого зерна, состоящего из собственной влажности сырья и дополнительной влаги, переданной в камеру экструдера дозатором воды, а также скорость вращения шнеков экструзионной машины, определяющей сдвиговые деформации в рабочей камере установки. При этом конструктивные параметры рабочих органов, конфигурация шнеков и типоразмер фильер матрицы, а также производительность установки оставались постоянными.
Критериями качества получаемого субстрата являлись растворимость субстрата в избыточном количестве воды при температуре 25 С как косвенный показатель клейстеризации крахмала, и выход редуцирующих углеводов из сухих веществ сырья после осахаривания, отражающий возможные потери в результате неполной клейстеризации крахмала или реакций карамелизации и меланоидинообразования, сопутствующих жестким условиям экструдирования зерна. Также в качестве выходного контролируемого параметра рассматривалось значение удельного расхода электроэнергии на переработку сырья.
Анализ данных, характеризующих технические показатели процесса экструзии и его энергопотребление, представленных в таблице 1 показывает, что увеличение скорости вращения шнеков и уменьшение влагосодержания в перерабатываемом зерновом сырье ведут к ужесточению и интенсификации режима термомеханической переработки зернового сырья. Об этом свидетельствует усиление нагрузки на электропривод экструзионной машины, также наблюдается рост температуры и давления в экструзионной камере. Так, температура увеличивается с 165 до 208 С, давление с 3 до 9,5 МПа, крутящий момент на валу с 28 до 62%.
Характер изменений нагрузки на электропривод экструдера показывает, что определяющим фактором происходящих изменений является влагосодержание зернового сырья. Значения крутящего момента при изменении влагосодержания при варьировании скоростью вращения шнеков укладываются в последовательные диапазоны величин: 28-33% при влагосодержании 20%, 34-42% при 15% и 45-62% при 10% влагосодержании соответственно. Аналогичную зависимость можно отметить и для температуры процесса. С учетом изменений качественных характеристик переработанного сырья это дает основания условно дифференцировать режимы термомеханической экструзии на мягкий, средний и жесткий, соответствующие 20%, 15% и 10% влагосодержанию.
Таблица 1 - Режимы экструзии и технологические показатели экструдатов № Режимные Темпе- Дав- Крутящий Удельный Раство- Выход параметры ратура ление момент на расход римость редуциВлаго- Скорость валу электро- рующих содер- вращения энергии углеводов жание шнеков % об/мин С МПа % кВтчас/кг % % 1. 10 170 193 9,5 62 0,1669 35,5 69,2. 10 220 202 6,3 51 0,1777 38,0 69,3. 10 270 208 4,8 45 0,1924 42,5 70,4. 15 170 174 5,8 42 0,1131 21,0 67,5. 15 220 176 5,0 38 0,1324 24,0 67,6. 15 270 184 4,0 34 0,1454 31,0 67,7. 20 170 165 4,0 33 0,0888 15,0 64,8. 20 220 170 3,5 31 0,1080 22,0 66,9. 20 270 175 3,0 28 0,1197 24,0 66,Методом ортогонального композиционного планирования на основании проведенных экспериментальных работ получены адекватные математические модели:
Растворимость деструктированного зернового сырья:
(1) S =66, 77+0, 0866n-6,327w+0,15wВыход редуцирующих углеводов:
(2) Rs=43,35+0, 23n+0,32w-0, 00049n2-0,0235wУдельный расход электроэнергии:
(3) ЕУД=0,19455+0,00094856n-0,0192344w-0, 00000148n2+0,0004wгде n- скорость вращения шнеков экспериментальной экструзионной установки, об/мин;
w Цвлагосодержание в зоне термомеханической деструкции, %.
S - растворимость термомеханически деструктированного сырья, %;
Rs - выход редуцирующих углеводо, %;
E - удельный расход электроэнергии, кВтчас/кг.
уд Графическая интерпретация полученных математических моделей функций выхода редуцирующих углеводов и удельного расхода электроэнергии в виде поверхностей отклика представлены на рисунке 1(а и б соответственно).
Значительный нелинейный характер функции выхода редуцирующих углеводов сопряжен видимо с тем, что максимальные значения сдвиговых деформаций в камере экструдера, вызываемые высокими скоростями вращения шнеков, могут инициировать реакции карамелизации и меланоидинообразования, обуславливающие в свою очередь некоторую потерю редуцирующих сахаров при ужесточении режимов обработки.
Изменение удельного расхода электроэнергии с 0,11 до 0,183 кВтчас/кг приводит к возрастанию выхода редуцирующих сахаров с 67,3 до 71,2%. Таким образом, значительное увеличение расхода электроэнергии на 67% ведет к улучшению качественного показателя экструдированного зерна всего на 5,7%.
а б Рисунок 1- Влияние режимных параметров экструзии на выход редуцирующих углеводов из сухих веществ зерна в результате осахаривания (а) и удельный расход электроэнергии на экструдирование (б) Учитывая значительные колебания стоимости электроэнергии и сырья, используемого в производстве этилового спирта, в различных регионах Российской Федерации, выбор эффективного режима работы в промышленных условиях должен быть сделан исходя из экономической целесообразности.
Не менее важным фактором при выборе оптимального режима термомеханической экструзионной обработки является качество поступающего на переработку зернового сырья. Учитывая, что его средняя влажность составляет 1214%, то работа на жестких режимах при тех же конструктивных параметрах рабочих органов становится просто невозможной, и интенсифицировать процесс экструзии можно будет только за счет увеличения скорости вращения шнеков.
На следующем этапе исследований изучали влияние режимов термомеханической экструзионной обработки зернового сырья на процесс сбраживания высококонцентрированных осахаренных гидролизатов с содержанием растворимых сухих веществ 30%.
Сбраживание проводили с использованием штамма спиртовых дрожжей Saccharomyces Cerevesiae 1039, обладающего осмофильными свойствами и способного сбраживать зерновое сусло с концентрацией сухих веществ свыше 30% и образованием этилового спирта в бражке более 15 об%.
Экструдированные образцы зернового сырья, полученные при мягком, среднем и жестком режимах обработки, соответствующие 20%, 15% и 10% влагосодержанию соответственно, после разжижения и осахаривания гидролитическими ферментными препаратами сбраживали в течение 72 часов при температуре 30 С. Контрольным образцом служило сусло, полученное традиционной механико-ферментативной обработкой (МФО) пшеницы.
Полученные сравнительные данные по технологическим показателям зрелой бражки представлены в таблице 2 и свидетельствуют о наличии тесной связи с режимами термомеханической экструзионной переработки сырья.
Ужесточение термомеханического режима коррелирует с основным показателем брожения Ч концентрацией и выходом спирта. Максимальная концентрация спирта достигнута для образцов зернового сырья, полученных экструзией при влагосодержании 10%, и составляет 16,5 об.%. Режимам с 15% и 20% влагосодержанием соответствуют 16,15 об.% и 16,06 об.%. Жесткому режиму экструдирования сырья соответствует наилучший показатель выхода спирта 66,дал/тонну условного крахмала, что на 0,34 дал/тонну превышает значение контроля.
Таблица 2 - Влияние режима экструзии на биохимические показатели зрелой бражки Биохимические Режимы экструзии МФО Мягкий Средний Жесткий показатели Концентрация РСВ, % 29,9 30,3 30,3 30,Выделение СО, г/100 мл 22,9 23,1 23,4 21,Общие углеводы, 1,08 1,05 0,98 1,г/100 мл Несброженные 0,95 0,92 0,86 1,углеводы, г/100 мл Спирт, %об. 16,06 16,15 16,50 15,Выход спирта, 64,4 65,7 66,3 66,дал/т усл.крахмала Биохимические показатели экспериментальных образцов зрелых бражек соответствуют или немного уступают значениям нормативов регламента. Необходимо отметить, что установленные нормативы разработаны для зрелых бражек с концентрацией этилового спирта в диапазоне 8,0-9,0 об.%, и следовательно, представленные технологические показатели экспериментальных зрелых бражек с содержанием этанола 16,06-16,5 об.%, что практические вдвое выше регламентного, можно считать приемлемыми.
Общее содержание примесей с ужесточением режима экструзии уменьшается с 5545,9 до 5000,7 мг/дм3, и происходит прежде всего за счет снижения концентрации фенилалкоголя и изоамилола.
На рисунке 2 представлена зависимость содержания в зрелой бражке основных групп примесей от режима термомеханической экструзионной переработки зернового сырья. Концентрация альдегидов последовательно увеличивается с 204,9 до 3мг/дм3 при сбраживании сырья, полученного при более интенсивных режимах экструзии, что может быть вызвано частичным меланоидинообразованием при сопутствующем нарастании температуры экструдирования сырья.
Не прослеживается определенной тенденции в изменении концентрации сложных эфиров и летучих кислот в зависимости от режима экструзии. Их содержание в зрелых бражках варьируется для сложных эфиров в диапазоне 412,8- 420,1 мг/дм3, а для летучих кислот 673,6-700,1 мг/дм3.
Рисунок- 2 Зависимость содержания основных групп примесей в зрелых бражках от режима экструдирования зерна Как было указано выше, прирост концентрации побочных метаболитов спиртового брожения при снижении интенсивности термомеханической обработки сбраживаемого сырья осуществляется за счет увеличения с 2916,5 мг/дм3 до 3811,мг/дм3 содержания компонентов сивушного масла.
2.3.2 Реологические исследования процесса получения высококонцентрированных гидролизатов из экструдированного сырья На первом этапе вискозиметрических исследований оценивалось влияние различных комплексов ферментных препаратов на вязкость гидролизатов экструдированного зерна пшеницы. Концентрация среды составила 32% растворимых сухих веществ. Динамическую вязкость определяли с использованием вибровискозиметра SV-10 по истечении 5 и 30 минут, затем в течение 30 минут охлаждали до температуры складки и проводили измерение при температуре 24 С.
Результаты исследования представлены на рисунке 3.
Рисунок -3 Влияние различных комплексов ферментных препаратов на динамическую вязкость гидролизатов пшеницы Приведенные результаты по реологии показывают, что на динамическую вязкость гидролизатов с высокой концентрацией сухих веществ, полученных из экструдированного сырья, наибольшее влияние оказывают ферменты амилолитического и гемицеллюлолитического действия, в том числе и при охлаждении его до температуры складки 22-24 С. Влияние протеазы в комплексе с амилазой мало на всех этапах измерений относительно образца, где использовалась только -амилаза. В случае традиционной механико-ферментативной обработки зерна влияние протеазы на вязкость замеса более очевидно, и незначительное ее действие в случае гидролиза именно экструдированного сырья может объясняться глубокой деструкцией углеводно-белковой структуры сырья и денатурацией белка в процессе экструзии. Гемицеллюлолитический комплекс снижает вязкость гидролизуемой среды практически вдвое по истечении 30 минут разжижения.
На момент 30 минут гидролиза динамическая вязкость всех образцов составляет менее 2 Пас при том, что предельным значением вязкости для разваренной крахмалсодержащей массы спиртового производства считают величину Пас, превышение которой приводит к потере текучести замесов и, соответственно, их нетранспортабельности по коммуникациям. Охлаждение среды до температуры складки не вызывает резкого увеличения вязкости. Динамическая вязкость образца, обработанного -амилазой, протеазой и гемицеллюлазой, возрастает в этом случае всего с 0,77 до 0,88 Пас, для двух других образцов данная тенденция сохраняется.
Основными факторами, определяющими изменение вязкости гидролизатов экструдированного сырья, являются концентрация растворимых сухих веществ, дозировки -амилазы и гемицеллюлолитического ферментного комплекса.
Влияние указанных факторов на динамическую вязкость гидролизатов экструдированного зернового сырья целесообразно представить в виде математической модели, где выходной переменной является значение динамической вязкости по истечении 30 минут ферментативного гидролиза.
Методом рототабельного композиционного планирования получена адекватная математическая модель реологического состояния гидролизата зернового сырья:
c,f,f =-1,853-0,054c+0,859f +5,761f -0,087cf ( ) z z (4) -0,268cf +0,0074c2+0,373f z где (c, f z, f ) - функция выходной переменной, динамическая вязкость после минут ферментативного гидролиза;
с - концентрация растворимых сухих веществ в гидролизате, %;
f - дозировка -амилазы, ед.АС/г усл.крахмала;
f - дозировка гемицеллюлолитического ферментного препарата в расчете на z ксиланазу, ед.КС/г сухих веществ.
Пространство планирования для данной математической модели описывается диапазонами варьирования факторов, для концентрации среды 25-35% РСВ., дозировка -амилазы 0,67-2,3 ед.АС/г усл.крахмала, дозировка гемицеллюлазы 0-0,ед.КС/г СВ.
Полученная математическая модель реологического состояния исследуемых сред позволяет анализировать взаимное влияние факторов модели на вязкость гидролизатов. Графическая интерпретация изменения динамической вязкости зерновых гидролизатов после 30 минутного ферментолиза в системе координат дозировка альфа-амилазы Ч дозировка гемицеллюлазы представлена на рисунке в виде линий равного уровня для различных концентраций растворимых сухих веществ гидролизата. Характер изолиний свидетельствует о преимущественно большем влиянии на вязкость дозировки альфа-амилазы по сравнению с дозировкой гемицеллюлазы в рассматриваемой области варьирования этими параметрами.
Вполне естественным является то, что минимальные значения вязкости соответствуют максимальным дозировкам ферментных препаратов.
Рисунок 4 Ч Зависимость динамической вязкости гидролизатов от дозировок ферментных препаратов для различных концентраций растворимых сухих веществ:
а) 27 % РСВ б) 30 % РСВ в) 33 % РСВ г) 35 % РСВ Для гидролизатов с концентрацией растворимых сухих веществ до 30% даже минимальные дозировки ферментных препаратов (0,67 ед.АС/ г усл.крахмала без внесения гемицеллюлаз) обеспечивают достаточную текучесть среды.
Данные, полученные в результате реализации композиционного рототабельного плана с дополнительными значениями в точках, выходящих за пределы факторного пространства математической модели, позволяют графически представить зависимость динамической вязкости гидролизата экструдированного сырья от концентрации растворимых сухих веществ при фиксированных дозировках разжижающих ферментов. Для дозировок -амилазы 1,5 ед.АС/г усл.крахмала и гемицеллюлазы 0,2 ед.КС/г С.В. данная зависимость построена на рисунке 5.
Рисунок 5 Ч Влияние концентрации растворимых сухих веществ на динамическую вязкость гидролизатов Характер кривой, аппроксимирующей экспериментальные точки, говорит о резком увеличении динамической вязкости с ростом концентрации сухих веществ.
Для стандартных, регламентных в спиртовом производстве концентраций растворимых сухих веществ 16-18% и более высоких до 22% динамическая вязкость не превышает значение 0,1 Пас, что обеспечивает прекрасную текучесть перерабатываемой среды и исключает предпосылки образования клейстеризованных заторов.
После превышения концентрации растворимых сухих веществ значения 25% происходит резкое нарастание динамической вязкости. Предельное приемлемое для спиртового производства значение 3 Пас соответствует концентрации 36-37% растворимых сухих веществ после 30 минутного гидролиза.
2.3.3 Интеграция термомеханических и биохимических процессов при получении высококонцентрированных гидролизатов Структурные изменения экструдируемого зерна сопровождаются увеличением объема выходящего из матрицы экструдера продукта, что является следствием перепада давления и температуры внутри камеры экструдера и окружающей средой, а также испарением избыточной влаги с поверхности продукта. В воздушной среде после испарения остаточной влаги получаемый зерновой экструдат приобретает прочную пенообразную структуру, замедляя тем самым диффузионные процессы при его растворении и гидролизе вследствие необходимости его первоначального набухания в воде. Кроме того, пенообразная структура экструдированного сырья затрудняет удовлетворительное смешение переработанного материала с водой из-за наличия закрытых в нем для воды воздушных полостей, что вызывает всплытие экструдата на поверхность в процессе растворения.
Технологическим решением данной проблемы является осуществление взрыва при выходе экструдируемого продукта не в воздушную окружающую среду, а непосредственно в водную среду в присутствие гидролитических ферментов, что сказывается на увеличении степени и ускорении процесса растворения крахмалсодержащего сырья. Испарения влаги с поверхности выходящего из матрицы экструдера продукта при таком способе экструзии не происходит, а значит, исключается отвердение пенообразной структуры экструдата, и отпадает необходимость его предварительного набухания. Таким образом, для достижения требуемого результата экструзионная камера экструдера дополняется гидролитической, по режиму движения среды относящейся к реакторам вытеснения.
На рисунке 6 представлена принципиальная схема получения высококонцентрированных гидролизатов, позволяющая объединить два процесса в одну технологическую стадию: экструзию зернового сырья в условиях повышенных температуры и давления при влагосодержании сырья до 20% и последующий ферментативный гидролиз деструктированных биополимеров зерна гидролазами амилолитического, протеолитического и целлюлолитического действия.
На первом этапе зерновое сырье поступает в зону термомеханической деструкции, где под действием вращающихся от электропривода шнековых рабочих органов при установившемся варочно-экструзионном режиме происходят последовательно процессы доизмельчения сырья, его доувлажнение при необходимости до 15-20%, крахмалосодержащее сырье претерпевает глубокие качественные изменения. В результате полученный деструктированный крахмалосодержащий продукт отличается высокой степенью растворимости и ферментативной атакуемости.
На втором этапе в зоне биохимической трансформации осуществляется формирование гидромодуля из расчета необходимой концентрации растворимых сухих веществ сусла (до 35%), и с одновременной подачей ферментных препаратов комплексного действия инициируются процессы биокатализа.
Рисунок 6 - Принципиальная технологическая схема получения высококонцентрированных гидролизатов экструзионно-гидролитическим способом На основе массового и теплового балансов процесса получения гидролизата зернового сырья для различных его концентраций определены значения требуемой температуры технологической воды при формировании гидромодуля, обеспечивающей оптимальные условия активности ферментных препаратов:
(100-w)cГt -KсЭt Г Э tВ=, (100-w-K )сВ где c, c, c С;
Г Э В - удельная теплоемкость гидролизата, экструдата, воды, кДж/кг t, t Г В - температура гидролизата, воды, С;
t - разность температур экструдированного и исходного сырья, С;
Э w - суммарное содержание воды в перерабатываемом сырье в термомеханической зоне экструзии, включая его влажность и необходимое увлажнение.
На рисунке 7 построены графики зависимости температуры подаваемой при формировании гидромодуля технологической воды в зависимости от концентрации получаемого гидролизата при постоянной производительности экструдера для мезофильных ферментных препаратов с оптимумом действия 60 С (графики 1 и 2) и термостабильной -амилазы с оптимумом действия 95 С (графики 3 и 4).
Таким образом, возможность регулирования температуры гидролизата в зоне ферментативного гидролиза позволяет создавать оптимальные условия для применяемых ферментных препаратов, в том числе начать процесс осахаривания непосредственно в зоне ферментативного гидролиза установки путем подачи осахаривающего фермента глюкоамилазы.
Рисунок 7 - Изменение температуры подаваемой технологической воды 1 и 2 - температура подаваемой воды и температура ферментативного гидролиза 60 С соответственно;
3 и 4 - температура подаваемой воды и температура ферментативного гидролиза термостабильной -амилазой при 95 С соответственно 2.3.4 Сравнение биохимических показателей зрелых бражек, полученных механико-ферментативным и экструзионно-гидролитическим способами обработки зернового сырья Для оценки качества высококонцентрированных гидролизатов, получаемых по экструзионно-гидролитической технологии проводили контрольное сбраживание, где в качестве контроля использовалось сусло, прошедшее механико-ферментативную обработку (МФО). Образцы осахаренного сусла сбраживали осмофильными дрожжами расы Saccharomyces Cerevesiae 1039.
В таблице 3 представленны данные, отражающие различия в биохимических показателях зрелых бражек из образцов сусла, полученных экструзионногидролитическим способом (ЭГС) и механико-ферментативной обработкой (МФО).
В результате сбраживания сусла, полученного экструзионно-гидролитическим способом, концентрация спирта в бражке составила 16,1 об.% при исходной концентрации растворимых сухих веществ 32%. Это более высокий результат по сравнению с контролем (15,5 об.%), даже учитывая чуть меньшее содержание в нем растворимых веществ 31,6%. При схожих биохимических показателях, характеризующих процесс сбраживания, существенные отличия можно наблюдать в содержании побочных метаболитов, сопутствующих спиртовому брожению.
Таблица 3 Ч Влияние способа подготовки зерна к сбраживанию на биохимические показатели зрелых бражек Биохимические показатели Способ водно-тепловой обработки ЭГС МФО Концентрация растворимых 32 31,сухих веществ, % Выделение СО, г 23,7 22,Несброженные углеводы, 0,95 0,8г/100 мл Концентрация спирта, %об. 16,1 15,Суммарное содержание побочных метаболитов, 7902,25 9912,мг/дмРисунок 8 показывает принципиальные различия суммарных концентраций основных групп примесей зрелых бражек, полученных различными способами воднотепловой обработки. Прежде всего, стоит отметить отличие в суммарном содержании примесей, для контрольного образца (МФО) этот показатель выше на 25%. Это может быть следствием стерилизации зернового сырья в зоне термомеханической деструкции в условиях высокой температуры (170-210 С в зависимости от режима) при экструзионно-гидролитическом способе (ЭГС) переработки с соответствующей ликвидацией посторонней микрофлоры - одной из главных причин накопления побочных метаболитов. Экструзионно-гидролитической переработке зерна на последующем этапе сбраживания сопутствует увеличение по сравнению с контролем концентрации летучих кислот и альдегидов, как побочное следствие значительного увеличения температуры обработки. Содержание компонентов сивушного масла в контроле выше практически на 50%, а сложных эфиров на 30%.
Рисунок 8- Изменение концентрации основных групп побочных метаболитов в зрелой бражке в зависимости от способа обработки зерна Таким образом, экструзионно-гидролитический способ переработки зернового сырья обеспечивает увеличение концентрации этанола в зрелой бражке с 15,5 об.% до 16,1 об.% и снижение концентрации побочных метаболитов спиртового брожения на 25%.
2.3.5 Разработка аппаратурно-технологической схемы В результате проведенных исследований обоснован принцип объединения в одной реакторной системе термомеханических экструзионных и биохимических процессов. Основным преимуществом предлагаемой технологии является переход от многостадийных процессов водно-тепловой обработки - смешение зернового сырья с водой, многооперационное разваривание сырья, охлаждение разваренной массы до температуры осахаривания, на одностадийный, полностью исключающий систему транспортирования полупродуктов от одного аппарата к другому. Из процесса полностью исключаются разварники, выдерживатели, контактные головки, аппараты механико-ферментативной обработки и стерилизаторы.
Экструзионно-гидролитическая технология предполагает на первом этапе в зоне термомеханической деструкции тепловую обработку только зернового сырья без нагрева технологической воды. Возможность регулирования температуры среды на втором этапе в зоне ферментативного гидролиза и проведенные расчеты показывают, что для создания оптимальных условий биокатализа при формировании гидролизата высокой концентрации температура технологической воды должна находится в диапазоне 15-25 С в зависимости от ряда условий. Это исключает необходимость наличия в технологической линии аппаратуры для снижения температуры среды после водно-тепловой обработки для проведения процесса осахаривания. К такой аппаратуре можно отнести теплообменное оборудования, паросепараторы, вакуумиспарители различных конструкций.
В результате проведенных работ разработана аппаратурно-технологическая схема типовой линии экструзионно-гидролитической переработки зернового сырья для спиртового производства. Схема представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 Ч Принципиальная аппаратурно-технологическая схема линии экструзионногидролитической переработки зернового сырья в спиртовом производстве 1- сепаратор зерновой; 2 - сепаратор электромагнитный; 3 - контрольные весы; 4 - бункер;
5 - дробилка; 6 - нория; 7 - экструдер-гидролизер; 8, 14 - насос центробежный;
9, 11 - сборник ферментных препаратов; 10, 12- насос-дозатор; 13-ферментер-осахариватель;
15 - теплообменник пластинчатый Зерно проходит очистку от сорных и металлических примесей на зерновом сепараторе 1 и электромагнитном сепараторе 2. Далее через весы 3 и промежуточный бункер 4 очищенное сырье поступает на дробилку 5. В измельченном виде зерно норией 6 подается в экструдер-гидролизер 7. В первой камере установки при установившемся экструзионном режиме происходит термомеханическая деструкция биополимеров зерна. Из зоны термомеханической деструкции экструдат под действием вращающихся от электропривода шнековых рабочих органов подается в гидролитическую камеру через специальный гидродинамический узел. Сюда же насосом 8 подается технологическая вода в количестве, необходимом для формирования среды с требуемой концентрацией сухих веществ. Из сборников ферментных препаратов 9 насосами 10 в гидродинамический узел также задаются гидролитические ферментные препараты (альфа-амилаза, гемицеллюлазы) для разжижения среды и подготовки крахмала к осахариванию. На выходе из гидролитической камеры из сборника 11 насосом-дозатором 12 в разваренную массу вводится глюкоамилаза. Сформированный, готовый к осахариванию гидролизат поступает в осахариватель 13. Осахаренное сусло из ферментера насосом 14 подается на теплообменник 15, где охлаждается до температуры складки, и затем перекачивается в бродильные чаны на брожение.
2.3.6 Экономический эффект от внедрения новой технологии Для спиртового завода замена линии механико-ферментативной обработки на экструзионно-гидролитическую с соответствующим повышением концентрации сбраживаемого сусла с 18 до 30% сухих веществ на каждые 1000 дал/сутки установленной мощности по варочному отделению обеспечит увеличение производительности на 670 дал/сутки. Основной экономический эффект обусловлен сохранением размеров условно-постоянных затрат и энергозатрат на брожение, брагоректификацию при возрастании производительности и условно-переменных затрат на производство. Таким образом, увеличению производительности и выручки в 1,67 раза соответствует замедленный рост себестоимости в 1,47 раза как результат изменения структуры и перераспределения основных статей затрат.
При 5% рентабельности производства внедрение новой технологии обеспечит ее рост до 19%, т. е. для предприятия с установленной мощностью по варочному отделению 1000 дал/сутки производительность увеличится до 1670 дал/сутки.
Экономический эффект от внедрения составит 19,6 млн.руб/ год.
Основные результаты и выводы 1. Установлено влияние режимных параметров термомеханической экструзии на изменение функциональных свойств зерновых экструдатов, определяющих степень и качество их биотехнологической конверсии в спиртовом производстве;
2. По результатам проведенных исследований более предпочтительными являются жесткие режимы экструзионной переработки зернового сырья, которым соответствуют лучшие биохимические показатели процесса сбраживания зернового сусла с концентрацией 30% РСВ;
3. На основе интеграции в одной реакторной системе процессов экструзии и ферментативного биокатализа разработана инновационная одностадийная технология получения высококонцентрированных гидролизатов для спиртового производства;
4. Методом рототабельного композиционного планирования получена адекватная математическая модель реологического состояния гидролизатов экструдированного зерна, позволяющая оценить влияние на вязкость среды таких факторов, как концентрация РСВ, дозировки -амилазы и гемицеллюлолитического ферментного комплекса;
5. Проведенные вискозиметрические исследования показывают, что экструзионно-гидролитическая технология позволяет получать гидролизаты зернового сырья с концентрацией растворимых сухих веществ до 35%, обладающие приемлемыми для дальнейшей переработки реологическими свойствами, без увеличения нормативных дозировок гидролитических ферментов.
6. Установлено, что экструзионно-гидролитическая технология обеспечивает улучшение биохимических показателей спиртового брожения при конверсии углеводов высококонцентрированных зерновых сред в этанол по сравнению с механико-ферментативной обработкой, концентрация спирта увеличивается с 15,5 об.
% до 16,1 об.%, концентрация побочных метаболитов снижается на 25%;
7. На основе экструзионно-гидролитической технологии разработана аппаратурно-технологическая схема спиртового производства, позволяющая значительно упростить аппаратурное оформление варочного отделения, исключив крупногогабаритное емкостное оборудование водно-тепловой обработки; разработана конструкторская и техническая документация; получен патент РФ на изобретение №2382082 Способ получения гидролизата из крахмалосодержащего сырья;
8. Экономический эффект внедрения новой технологии для завода с производственной мощностью по варочному отделению 1000 дал спирта/сутки составит 19,6 млн.руб/год с увеличением производительности до 1670 дал/сутки.
Список работ, опубликованных по материалам диссертации 1. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В., Шариков А.Ю. Метод переработки крахмалосодержащего сырья при получении концентрированного зернового сусла // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2007.- №3.- с.16-17.
2. Шариков А.Ю. Получение высококонцентрированных гидролизатов зернового сырья экструзионно-гидролитическим методом//Сборник докладов конференцииконкурса научно-инновационных работ молодых ученых и специалистов Отделения хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Россельхозакадемии.- М.:ВНИИМП.- 2008.- с.143-147.
3. Stepanov V.I., Ivanov V.V., Sharikov A.Yu. Single-stage extrusion hydrolytic technology of cereal-based materials processing//Proceedings of The International Scientific and Practical Conference Biotechnology:Water and Foodstuffs- М.- 2008- p.261.
4. Поляков В.А., Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В., Шариков А.Ю.
Экструзионно-гидролитический метод получения питательных сред на основе крахмалосодержащего сырья для продуцентов гидролитических ферментов//Сборник научных трудов IV Международный симпозиум Микробные биокатализаторы и их роль в нано- и биотехнологиях.-М., ВНИИПБТ - 2008, с. 62-70.
5. Поляков В.А., Степанов В.И., Иванов В.В., Шариков А.Ю. Перспективные направления переработки зернового сырья с использованием экструзионных технологий// Сборник материалов всероссийской конференции Научно-практические основы экологизации продуктов питания. Углич: ВНИИМС, 2008. - с. 216-219.
6. Степанов В.И., Иванов В.В., Шариков А.Ю., Поляков В.А., Римарева Л.В.
Патент РФ на изобретение №2382082 Способ получения гидролизата из крахмалосодержащего сырья, приоритет от 21.01.2009.
7. Stepanov V.I., Ivanov V.V., Sharikov A.U. Production of very high concentrated cereals hydrolyzates for biotechnological and agro-industrial complexes// Proceedings of the V Moscow international congress Biotechnology: state of the art and prospects of development - М.- 2009 - P.1 - p. 437-438.
8. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В., Шариков А.Ю., Игнатова Н.И., Амелякина М.В. Комплексная переработка зернового сырья и фильтрата барды по одностадийной гидролитической технологии//Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2011.- №1.- с.4-6.
9. Шариков А.Ю., Поляков В.А. Реологические аспекты получения высококонцентрированных гидролизатов по экструзионно-гидролитической технологии // Производство спирта и ликероводочных изделий. - 2012.-№1, с.7-9.
10. Шариков А.Ю., Римарева Л.В., Степанов В.И., Иванов В.В., Игнатова Н.И., Веселовская О.В. Исследование режимов экструзионной переработки зернового сырья- субстрата биохимических процессов спиртового производства//Сборник научных трудов VI Международного научно-практического симпозиума Перспективные ферментные препараты и биотехнологические процессы в технологиях продуктов питания и кормов. - М.:ВНИИПБТ.- 2012.-с.308-315.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разным специальностям